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基于光纤振弦的桥梁基础冲刷深度监测传感器及监测机理
| 论文题名： | 基于光纤振弦的桥梁基础冲刷深度监测传感器及监测机理 |
| 关键词： | 桥梁基础冲刷;深度监测传感器;光纤振弦;自振频率;流固耦合 |
| 摘要： | 随着当前我国社会和经济的迅猛发展,各项公共基础设施工程建设的进度也在不断地加快。其中，桥梁建筑工程作为现代基础设施建设中的重要组成部分，其安全性和耐久性问题越来越受到关注。在众多威胁桥梁使用安全的原因中，水流对桥梁基础的冲刷作用是最为重要的因素之一。冲刷作用具有普遍性、隐蔽性和危害严重性的特点，它会削弱桥梁基础承载力，从而导致严重的桥梁损毁事故。因此，研发一种经济有效的桥梁基础冲刷深度监测技术具有非常重要的意义。本文基于光纤光栅（FBG）传感技术，设计了一种新型桥梁基础冲刷深度监测装置，该装置以光纤振弦为核心传感元件，通过监测光纤振弦自振频率的变化反推得到河床冲刷深度的变化。主要研究内容如下： （1）提出了基于光纤振弦的桥梁基础冲刷深度传感器设计方案。在分析桥梁基础冲刷过程特点的基础上，提出了一种以光纤振弦为核心的桥梁基础冲刷传感器设计方案。利用基础冲刷会改变河床泥沙对于光纤振弦的嵌固长度从而改变光纤振弦自振频率的特点，通过光纤振弦中FBG传感器测量光纤振弦频率，进而反演得出桥梁基础冲刷深度。 （2）建立了基于光纤振弦的桥梁基础冲刷监测传感器动力学模型。在考虑泥沙嵌固作用和流固耦合作用的基础上，采用Rayleigh-Ritz法建立了泥沙约束下的光纤振弦动力学模型，通过振弦频率反演泥沙嵌固深度，从而反映冲刷深度的变化。此外，通过参数分析，得到了冲刷传感器各种参数对于上述反演模型的影响规律。 （3）开展了桥梁基础冲刷深度监测传感器的冲刷试验研究。研究了监测传感器中光纤振弦的制作工艺及封装方法，制作了基于光纤振弦的冲刷深度监测传感器试验模型，设计并制造了冲刷试验所需的冲刷水槽装置。试验结果验证了通过基于光纤振弦的冲刷监测传感器自振频率反演冲刷深度的可行性。 |
| 作者： | 牛梓凡 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 张东昱 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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